Due contesti applicativi nei quali possono essere utilizzati i campi acustici per intensificare lo scambio termico convettivo sono il raffreddamento di componenti elettronici immersi in un liquido dielettrico e lo scambio termico negli scambiatori di calore.
Il raffreddamento di componenti elettronici è un argomento di grande interesse applicativo, perché una limitata rimozione del calore costituisce un ostacolo al miglioramento delle prestazioni dei circuiti integrati. Tali prestazioni sono infatti collegate alla frequenza di clock dei processori [paper 6], la quale è a sua volta collegata alla potenza dissipata per unità di superficie. L’aumento del coefficiente globale di scambio ad opera degli ultrasuoni renderebbe quindi possibile aumentare le prestazioni mantenendo dei livelli di temperatura dei componenti accettabili. I fluidi dielettrici sono fluidi che possiedono una banda energetica proibita ampia, rendendo quindi difficile agli elettroni il raggiungimento della banda di conduzione: essa rimane quindi vuota e la conduzione risulta impossibile. In questo settore i fluidi dielettrici utilizzati sono generalmente fluorocarburi.
Nel caso dell’applicazione dei campi acustici agli scambiatori di calore, gli obiettivi che ci si pone sono l’aumento del coefficiente globale di scambio 𝑼 e, nel
caso di utilizzo di liquidi come fluidi dello scambiatore, la prevenzione/eliminazione
del fouling.
Per quel che riguarda i meccanismi che intervengono nell’intensificazione dello scambio termico, si rimanda alla sezione 3 del presente lavoro.
Gli scambiatori di calore sono soggetti a sporcamento. Ci sono vari meccanismi di sporcamento che portano alla creazione di strati di sporco con diverse caratteristiche termiche e meccaniche:
1. Fouling da cristallizzazione → Precipitazione e deposizione di Sali (ad esempio la formazione di carbonati che precipitano e formano uno
strato sulla superficie di scambio a seguito del riscaldamento dell’acqua a temperature superiori a 45 − 55 °𝐶).
2. Fouling da particelle → Sedimentazione di sabbia o fango su superfici di scambio termico.
3. Fouling da reazione →
Formazione di depositi causati da reazioni chimiche sulla superficie di scambio termico. Ad esempio, come si vedrà in un articolo analizzato nel seguito, le proteine contenute nel latte, al raggiungimento di
una certa temperatura,
vengono adsorbite dalla
superficie di scambio, formando uno strato che ostacola lo
scambio termico. L’adsorbimento è una proprietà chimico-fisica dei solidi e dei liquidi che consiste nel trattenere o concentrare sulla propria superficie, cioè di adsorbire, uno o più componenti (atomi, molecole, o ioni). Si contrappone all’assorbimento (o absorbimento) per il fatto che i componenti non penetrano nella massa di solido o liquido che costituiste l’adsorbente.
4. Fouling da corrosione-incrostazione → Formazione di uno strato di ossido sulla superficie di scambio. La resistenza al trasferimento termico in questo caso è molto bassa, perché le superfici di ossidi sono molto sottili e la conducibilità termica è relativamente elevata. 5. Incrostazione biologica → Formazione di uno strato di alghe, microorganismi, batteri o altri elementi sulla superficie di scambio termico. Si può avere, ad esempio, quando viene utilizzata come acqua di raffreddamento acqua derivante da fiumi o dal mare.
Figura 32 Adsorbimento fisico di una molecola biatomica covalente (adsorbato)
Il fouling può ridurre significativamente il coefficiente globale di scambio. Ad esempio, nel caso di uno scambiatore tubo – tubo, il coefficiente globale di scambio nel caso di superficie di scambio pulita è il seguente: 𝑅𝑡𝑜𝑡 = 1 ℎ𝑖𝐴𝑖 + ln (𝑅𝑅𝑒 𝑖) 2𝜋𝑘𝑙 + 1 ℎ𝑒𝐴𝑒 (30)
In presenza di fouling in l’espressione si modifica in: 𝑅𝑡𝑜𝑡 = 1 ℎ𝑖𝐴𝑖 + 𝑅𝑓𝑖 𝐴𝑖 + ln (𝑅𝑅𝑒 𝑖) 2𝜋𝑘𝑙 + 1 ℎ𝑒𝐴𝑒 +𝑅𝑓𝑒 𝐴𝑒 (31)
In condizioni tipiche di funzionamento di
uno scambiatore tubo – tubo i due contributi dovuti al fouling arrivano ad incrementare la resistenza totale al massimo del 30 − 40 %. In generale, ridurre gli effetti del fouling produce un beneficio termico
indiretto significativo.
Gli ultrasuoni possono agire prevendendo la formazione dello strato di sporco o rimuovendolo successivamente con diversi meccanismi [Articolo di Li →].
Ci sono due meccanismi di rimozione dello strato di sporco:
1. I fenomeni idrodinamici conseguenti all’implosione delle bolle cavitazionali, descritti nel capitolo 3.1, producono degli intensi sforzi meccanici sullo strato di sporco che si è formato sulla superficie di scambio, permettendo la sua disintegrazione e rimozione, come si può osservare dallo schema concettuale in figura 35.
Figura 33 Sezione di uno scambiatore tubo - tubo pulito
2. Effetto di taglio → La velocità di propagazione delle onde ultrasoniche è diversa nei liquidi, nello strato di sporco e nelle pareti degli scambiatori. Questo genera degli sforzi di taglio tra liquido, sporco e superfici che possono portare alla rottura e rimozione dello strato di sporco.
3. Correnti acustiche (acoustic streaming) → Anche le correnti indotte dal campo acustico possono generare sforzi sufficienti a rompere lo strato di fouling.
Anche nel caso della prevenzione della formazione del fouling si hanno due meccanismi principali, entrambi causati dalla cavitazione acustica:
1. Gli sforzi meccanici conseguenti ai fenomeni idrodinamici indotti dalla cavitazione possono ridurre i solidi sospesi in frammenti più piccoli che quindi rimangono in sospensione nel liquido e non sedimentano all’interno dello scambiatore.
2. L’energia liberata nel collasso delle bolle può portare alla dissociazione delle molecole d’acqua:
𝐻2𝑂 ⇌ 𝐻++ 𝑂𝐻− (32)
Questo aumenta la soglia di solubilità dell’acqua, con minore precipitazione di sostante che vanno a formare lo strato di fouling. Dal punto di vista delle applicazioni è sicuramente interessante andare a valutare il seguente rapporto:
𝑷𝑼𝑺
∆𝑷𝒕𝒉
(33)
, ovvero il rapporto tra la potenza ultrasonica utilizzata e il beneficio ottenuto in termini di maggiore potenza termica scambiata. Questo anche nel caso della prevenzione/eliminazione del fouling, infatti anche in quel caso l’obiettivo finale è quello di ottenere grazie ai campi acustici delle prestazioni di scambio termico migliori di quelle che si hanno in loro assenza.
Tale rapporto è un parametro di merito che indica se l’energia acustica è stata utilizzata in modo efficiente. L’ideale sarebbe ottenere un Fattore di
Intensificazione elevato e un rapporto 𝑷𝑼𝑺/∆𝑷𝒕𝒉 piccolo. Infatti, nelle applicazioni
si vuole ottenere un incremento delle prestazioni che non richieda un costo energetico troppo elevato. Ciò è particolarmente vero dal momento che i campi acustici utilizzati sono quasi sempre ultrasonici e la loro generazione è piezoelettrica, quindi la spesa di energia è elettrica.